Il progetto presentato in questo articolo utilizza la scheda ESPertino, un rilevatore satellitare GPS e un piccolo computer portatile. Ha lo scopo di monitorare e registrare l'altitudine del dispositivo, ovunque esso si trovi. Esso risulta molto utile per tracciare l'evoluzioni di volo di piccoli veicoli leggeri oppure di deltaplani.
Antichi ricordi
Molti anni fa, quando ero ancora un ragazzo (parliamo di circa 25 anni fa), ricordo che un mio amico, appassionato di volo e di deltaplano, mi fece vedere una scatola rossa e nera (vedi figura 1). Essa aveva la funzione di registrare l'altitudine del suo deltaplano durante il volo e di riproporla, poi, al computer mediante un collegamento seriale, sotto forma di grafico. Il suo funzionamento era alquanto elementare: un apposito sensore di pressione atmosferica registrava l'altitudine e la memorizzava all'interno di un'apposita memoria interna. Successivamente, a casa, tramite il PC, si potevano osservare i grafici degli andamenti dell'altitudine, per tutto il tempo del volo.
Ne rimasi molto affascinato fino al punto di volerlo realizzare, ma le tecnologie del momento e, soprattutto, le mie scarse conoscenze di elettronica, a quell'epoca, mi impedivano di effettuare qualsiasi realizzazione. Inoltre non erano molto diffusi i sistemi elettronici programmabili e questo implicava realizzazioni alternative estremamente sofisticate e difficili. Il circuito dell'altimetro del mio amico utilizzava un sensore di rilevazione della pressione atmosferica al fine di ricavarne l'altitudine. A quei tempi l'uso del GPS era davvero limitato alle sole apparecchiature militari.
Il dispositivo che ci accingiamo a costruire (o meglio, ad assemblare, vista la sua grande semplicità) può essere molto utile in varie occasioni. Sicuramente ne ritroveranno grande giovamento i piloti di piccoli veicoli che vorranno monitorare, poi a casa, le loro esibizioni e le loro acrobazie con il proprio aereo personale ultraleggero. Ma l'utilizzo può essere esteso ad altre mille applicazioni come, ad esempio, il monitoraggio continuo dell'altitudine di un percorso durante il lungo tragitto in autostrada. Inoltre, con una semplice modifica al software, è possibile collegare il dispositivo a Internet tramite interfaccia WiFi. Questo per poter inviare, in tempo reale, i dati tramite un servizio di Web Hosting per puoi consultare comodamente a casa al PC, da qualunque parte del mondo, le informazioni appena registrate.
Figura 1: un vecchio altimetro analogico
Schema a blocchi
La figura 2 mostra lo schema a blocchi minimale dell'altimetro, con tutte le parti e i dispositivi che interagiscono tra di loro. Come si vede, i componenti sono proprio ridotti al minimo. Essi sono:
- Il ricevitore GPS (a sinistra);
- La scheda ESPertino (al centro);
- Un piccolo PC portatile con connettore USB (a destra).
Figura 2: schema a blocchi
La scheda ESPertino (vedi figura 3) ha il compito di gestire tutta la parte logica e di controllo. Inoltre essa riceve le informazioni "testuali" da parte del rilevatore satellitare GPS, prelevando la sola componente dell'altitudine, utile al nostro scopo. Dal momento che il dispositivo sarà utilizzato prevalentemente in volo, ad altitudine elevata, non esiste pericolo di una limitata ricezione dei satelliti. L'aria, infatti, è libera e ciò permette la ricezione ottimale di tutti i satelliti presenti al momento. In altre parole non ci sono ostacoli di vario tipo come, ad esempio, pareti, coperture metalliche, o altro. Il sensore GPS che abbiamo usato effettivamente nel progetto è il GY-NEO6MV2 con EEPROM MWC APM 2.5 ed è mostrato in figura 4. Il suo costo è irrisorio. Come tutti i ricevitori di questo tipo, esso entra "a regime" di funzionamento dopo qualche minuto dalla sua accensione.
Figura 3: la scheda ESPertino
Figura 4: il ricevitore GPS GY-NEO6MV2
Come interpretare i dati provenienti dai satelliti GPS
La decodifica dei dati raccolti con un ricevitore GPS è relativamente semplice e si basa tutta sulla gestione delle stringhe. Tali informazioni sono restituite all'utente attraverso una sequenza di caratteri. Tale insieme di dati è detta stringa NMEA (National Marine Electronics Association). Il programmatore, con un opportuno linguaggio di programmazione, può estrarre questa successione di caratteri, per poi esaminare le varie parti che la compongono. Tale standard è stato introdotto dalla marina americana. Un esempio di log NMEA potrebbe essere il seguente:
$GPRMC,165030.00,A,1729.87492,N,01103.20141,E,0.332,,040912,,,A*74 $GPVTG,,T,,M,0.532,N,0.984,K,A*22 $GPGGA,165030.00,3729.87492,N,01403.20141,E,1,10,0.91,680.7,M,37.6,M,,*50 $GPGSA,A,3,06,22,19,16,14,11,01,30,32,21,,,1.45,0.91,1.12*04 $GPGSV,3,1,12,01,10,269,27,03,87,262,09,06,76,124,32,11,21,284,14*7B $GPGSV,3,2,12,14,22,122,20,16,35,202,34,18,28,047,17,19,55,318,13*7E $GPGSV,3,3,12,21,07,071,23,22,68,070,19,30,10,183,35,32,09,212,25*7C $GPGLL,3721.87492,N,02403.20141,E,165030.00,A,A*67
Ogni stringa, se correttamente ricevuta, inizia sempre con il carattere di dollaro (“$”). Solitamente essa si completa sino al raggiungimento del carattere asterisco (“*”). I parametri sono separati tra loro con una virgola (“,”). Per il nostro scopo occorre processare la sentenza GAA (essential fix data which provide 3D location and accuracy data). Essa contiene, tra le altre, l'altitudine del ricevitore GPS espressa, per fortuna, in metri. Un esempio di tale stringa, ai fini delle analisi, potrebbe essere il seguente:
posizione: 0123456789012345678901234567890123456789012345678 NMEA: GPGGA,145916.00,3729.88007,N,01403.20989,E,1,04,2.57,640.3,M,37.6,M,,*51
Schema elettrico
La figura 5 illustra il semplice schema elettrico dell'intero sistema. E' presente solamente il ricevitore GPS collegato al piedino RX seriale di ESPertino. Si ricordi di fornire la corretta alimentazione al modulo satellitare.
[...]
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Ormai le potenzialità applicative delle schede di sviluppo sono illimitate. Poter monitorare step by step dei parametri attraverso dispositivi di semplice utilizzo è quanto di più attraente possa offrire la tecnologia.
Già, hai detto bene, “di semplice utilizzo” ma di concezione interna estremamente complessa. Dentro un ricevitore GPS c’è quanto di meglio la tecnologia attuale possa offrire: milioni di transistors, ricevitori ad altissima frequenza, MCU, oscillatori ultra miniaturizzati, ecc.
Tutti componenti impossibili da realzzare con la normale elettronica a componenti discreti.
Sono convinta che la miniaturizzazione dei componenti ci riserverà ancora tante sorprese.
Articolo interessante Giovanni. Tuttavia stavo pensando che, se proprio uno deve portarsi il notebook dietro, si potrebbe collegare direttamente il modulo gps ad un adattatore FTDI – USB e leggere i dati da lí… A mio parere, per rendere il dispositivo piú “portatile”, si coinvolge Espertino solo per salvare i dati letti dal gps su microsd ed analizzati successivamente… Come ti sembra come idea?
Ciao Emanuele, piacere di rivederti dopo tanto tempo.
Sicuramente il sistema proposto non è portatile, in quanto è composto da tanti componenti “grandi”. Ma lo scopo dell’articolo, più che altro, è quello di osservare le varie “parti” al microscopio e comprenderne i funzionamenti e le interazioni.
Poi, ed è giusto quello che dici, si può passare a integrare il tutto, magari in un minuscolo chip di 2 millimetri quadrati.
Grazie dei tuoi costruttivi commenti.
Ciao
Ciao a tutti, si potrebbe usare il modulo espertino in abbinamento al raspberry , che verrà usato come computer, visto che con pochi collegamenti lo possiamo realizzare, in modo da avere un dispositivo più miniaturizzato e di poterlo usare come altimetro alternativo o per testare se l’altimetro in uso sull’aereo funzioni correttamente.
C’è da ricordare però che l’altimetro presente in un aereo , viene settato ogni volta con un segnale mandato dalla torre di controllo degli aeroporti , in modo che l’altimetro dell’aereo misuri correttamente l’altezza in prossimità della pista di atterraggio.